冷坩埚感应熔炼-压铸装置及制备块体非晶材料的方法
技术领域
本发明涉及一种冷坩埚感应熔炼-压铸装置，及利用该装置制备块体非晶材料的方法，为在冷坩埚真空感应熔炼条件实现金属块体非晶材料压力铸造的技术，属于金属熔炼和铸造的技术领域。
背景技术
非晶金属材料具有晶态金属材料所不具备的特殊的性能，例如特别高的力学性能、电学性能或磁学性能等，这类材料已经有几十年的开发历史了。在传统非晶材料的基础上，最近又开发了金属块体非晶材料，这是一种能在截面线尺寸达到几毫米的条件下保持非晶组织的材料。金属块体非晶材料的开发，使非晶材料的实际应用领域得到了扩展。
获得块体非晶组织有三个技术条件：1)具有促进非晶组织形成的成分条件；2)基体纯度高，杂质含量低——杂质是液态金属结晶的非自发形核核心；3)在足够高的冷却速度下凝固。
一些重要的金属块体非晶材料是以活泼金属或难熔金属为基体的，例如，锆基非晶材料、稀土基非晶材料、钛基非晶材料，等等。冷坩埚真空感应熔炼技术(或者称为“真空悬浮熔炼技术”)是熔炼活泼金属和难熔金属最理想的手段，这种技术几乎完全排除了气体杂质和坩埚材料对金属基体的污染，这对于保证非晶组织特别重要。
压力铸造能使液态金属获得很高的冷却速度，它是制造金属块体非晶器件最重要的手段之一。在冷坩埚真空感应熔炼的条件下，可以采用的压力铸造技术包括：其一，将液态金属倾铸进入压力铸造机的炮筒，然后用推杆将金属液压入模具室；其二，使液态金属通过冷坩埚底部的底铸口注入压力铸造机的炮筒，然后用推杆将金属液压入模具室，等等。前一种技术需要比较大的熔炼室，后一种技术需要为底铸口配备配合很精密的坩埚塞。在这两种技术中金属液都是依靠自重注入炮筒的，所以在铸造过程中有明显降温，这对铸造过程产生了不利的影响：其一，金属液不能向模具完全填充，使铸件产生缺欠；其二，部分金属液在炮筒中凝固，这些金属残料阻碍下一炉次的压铸过程；其三，金属液在流动过程中，温度产生不均匀的降低，导致模具冷却过程收缩不均匀而产生缝隙。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种冷坩埚感应熔炼-压铸装置，及利用该装置制备块体非晶材料的方法。本发明的目的是发展在冷坩埚感应熔炼的装置中实现压力铸造的新方法，该方法具有装置结构简单，液态金属进入压力铸造机的行程短，温降少，温度变化均匀，控制灵敏，铸模具冷却速度快等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种冷坩埚感应熔炼-压铸装置，包括真空熔炼室，所述真空熔炼室中设置有分瓣式的水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚呈圆筒状，两端开口，水冷铜坩埚的分瓣结构内设置有螺旋状冷却水路，不同分瓣结构中的螺旋状冷却水路在水冷铜坩埚不分瓣部分依次连通；
所述水冷铜坩埚的外壁环绕设有向坩埚输送电磁场的感应线圈，所述感应线圈内设置有冷却水路，且通过真空密封结构与真空熔炼室外面的感应电源相结合；
所述水冷铜坩埚的底部设有坩埚底，坩埚底的外径与水冷铜坩埚的内径匹配，坩埚底可在坩埚和炮筒中轻松地移动，实际起活塞头的作用，向上移动时把金属熔池推向坩埚的上方；所述坩埚底具有与水冷铜坩埚相同或相似的分瓣结构，(如此设置的目的是：保证电磁场能从坩埚的下方进入坩埚，使坩埚底部的金属充分熔化)，坩埚底的每一分瓣结构中设有S形冷却水路，不同分瓣结构中的冷却水路依次连通；
所述坩埚底下面设有推杆，推杆通过真空密封穿过真空熔炼室的底部与驱动机构相结合，驱动机构可以驱动推杆带动坩埚底在坩埚和炮筒内快速地上下移动；推杆中设置有冷却水路，与坩埚底内设置的冷却水路接通；
所述水冷铜坩埚上面设有炮筒，炮筒上面设有模具室，或：所述水冷铜坩埚上面设有模具室(对于不需要采用很大压力的压力铸造过程，可采用这种不设炮筒的方式，这种情况下，坩埚上部不分瓣的部分起到炮筒的作用)；
所述炮筒与水冷铜坩埚密切结合，与水冷铜坩埚有相同轴线和相同内径；
所述模具室与炮筒或水冷铜坩埚密切结合；
所述模具室内设有冷却水路；
所述真空熔炼室连接有可为熔炼室提供产生真空气氛的真空装置或系统；
所述真空熔炼室连接有可为熔炼室提供产生惰性气体气氛的惰性气体充入装置或系统；优选的，所述惰性气体为氩气。
进一步地，所述水冷铜坩埚沿着轴线有相同的内径。
进一步地，所述水冷铜坩埚的上段不分瓣，目的是增加坩埚的刚度以便承受铸造压力，上段不分瓣的高度为坩埚总高度的1/20～1/3。
进一步地，所述感应线圈为水冷紫铜感应线圈。
进一步地，所述坩埚上口到感应圈的高度为坩埚总高度的1/10～1/2，如此设置的目的是：使得炮筒的位置离感应线圈有一段距离，可防止电磁场在炮筒处形成涡流，损耗能量。
进一步地，所述坩埚底的上表面为凹形曲面或圆锥面，如此设置的目的是：使坩埚底部的液态金属能在悬浮力的作用下脱离坩埚底。
进一步地，所述坩埚底的分瓣结构中的S形冷却水路与坩埚底上表面的凹形曲面或圆锥面贴合，整体为凹形曲面或圆锥面结构。
进一步地，所述坩埚底的材质选自不锈钢、高温合金、难熔金属/合金，比如紫铜；具体应用时，根据被熔炼的金属材料的熔点选择合适的金属材料，原则是应该耐受被熔炼的材料的液态金属的侵蚀。
进一步地，所述驱动机构是推动推杆和坩埚底的动力装置，其驱动方式选自手动、电动、气动、液压等，优选油压，油压驱动装置产生的推力大，容易控制。
进一步地，所述炮筒的高度为坩埚高度的0.1～1.0倍，优选0.2～0.5倍，如此设置的目的是：使金属液能尽快进入模具室。
进一步地，所述炮筒的材质选自不锈钢、高温合金、难熔金属/合金；具体应用时，根据被熔炼的金属材料的熔点选择合适的金属材料，使炮筒具有足够高的强度和刚度，原则是应该耐受被熔炼的材料的液态金属的侵蚀。
进一步地，所述炮筒外壁设有用于加热的电阻丝或感应线圈，如此设置的目的是：可以对炮筒加热，以减少液态金属在经过炮筒的过程中的降温，最好保证炮筒温度不低于300℃，比被熔炼的材料的熔点低200℃以上；设在水冷铜坩埚外的感应线圈实际上对炮筒也有一定的加热作用。
进一步地，所述模具室的形状和尺寸按照对铸件的形状和尺寸的要求设计；对于小铸件或薄铸件，可以在模具室上设置或安装多个小模具腔，一次铸造多个铸件；模具室大多用金属材料制作；为了获得高冷却速度，加快液态金属的冷却速度，最好使用水冷紫铜模具。
本发明的冷坩埚感应熔炼-压铸装置，所用坩埚与普通冷坩埚感应熔炼的坩埚相比，主要有两个差别：一，坩埚的高度增大，使炮筒的位置离开感应圈一段距离，防止电磁场在炮筒处形成涡流损耗能量；二，坩埚的上端不分瓣，目的是增加坩埚的刚度以便承受铸造压力。本发明的冷坩埚感应熔炼-压铸装置的核心部件是由坩埚底、推杆、驱动机构、炮筒和模具室组成的压力铸造装置。
利用上述冷坩埚感应熔炼-压铸装置制备块体非晶材料的方法，包括以下步骤：
(1)在开始熔炼之前，将水冷铜坩埚、坩埚底、模具室、感应线圈中的冷却水路与真空熔炼室外面的冷却系统接通，向水冷铜坩埚、坩埚底、模具室、感应线圈通入冷却水；
(2)开始熔炼，先把坩埚底推升到水冷铜坩埚的底口，在打开真空装置或系统的条件下，向水冷铜坩埚内装入待熔炼的金属料；
(3)关闭真空熔炼室抽真空，或在抽真空后充入一定压力的惰性气体；
(4)启动感应电源，向感应线圈输送高频电流，使金属料熔化并形成一定的过热度；
(5)启动驱动机构，通过推杆快速向上推升坩埚底，通过坩埚底将水冷铜坩埚中的液态金属通过炮筒迅速推入模具室或直接推入模具室，关闭感应电源，同时启动冷却系统，使模具室内的液态金属快速凝固；
(6)待模具室中的铸件冷却后，打开真空熔炼室，移出模具室并取出铸件；向水冷铜坩埚加入新的金属原料，进行下一炉次的熔炼和铸造操作。
进一步地，所述步骤(5)中，推杆产生的压力是10～300MPa，优选50～200MPa；推杆的速度是10～1000mm/s，优选100～300mm/s。
本发明的优点在于：
1、本发明的冷坩埚感应熔炼-压铸装置中，坩埚、炮筒和模具室紧凑结合，成列排布，没有间隔；制备金属块体非晶材料时，坩埚底强制地将金属熔池压入模具，液态金属的行程短，阻力小，所以温降少，流动性高，填充性好，提高了铸件的质量和成材率。而在传统技术中，要增加倾铸或底铸过程，它们都是在重力驱动下进行的，液流分散，过程较慢，所以温降比较大。
2、本发明在水冷铜坩埚、坩埚底、推杆、感应线圈、炮筒、模具室内设置众多的冷却水路，由于水的热容大，增大坩埚等整体的比热容，使得温度变化平稳，进一步减少温度突变，而且本申请在炮筒外侧设置有，感应线圈，保证炮筒内部的温度，因此在推杆推动过程中金属液的温降小，所以降低了金属液在炮筒中发生局部凝固的可能性，减少了在压铸过程中发生卡堵的故障率，而且，温度变化温和且均匀，金属熔化和冷却的温度变化温和均匀，减少不均匀收缩带来的内部缝隙，提高了设备的寿命和生产效率。
3、本发明的冷坩埚感应熔炼-压铸装置结构简单，既不需要倾铸装置，也不需要底铸装置，结构紧凑，所以，真空熔炼室和压力铸造装置的尺寸都可以大大减小。
4.本发明不仅在水冷铜坩埚、坩埚底、推杆、感应线圈、炮筒内部设置有冷却水路，而且在模具室内部设置有冷却水路，进一步缩短了模具的冷却时间，提高了冷却效率。此外，坩埚分瓣结构中的冷却水路为双层螺旋状，坩埚底分瓣结构中的冷却水路为S形且贴合坩埚底上表面的凹形曲面或者圆锥面，增大了换热面积和换热效率，一方面进一步缩短冷却时间，另一方面，缩短制冷时间，提高温度控制的灵敏度。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为冷坩埚感应熔炼-压铸装置的结构示意图。
附图2为冷坩埚感应熔炼-压铸装置的结构爆炸图。
附图3为坩埚底的结构示意图。
附图4为压铸过程示意图(金属液在水冷铜坩埚中)。
附图5为压铸过程示意图(金属液在模具室中)。
其中，01，真空熔炼室；02，水冷铜坩埚；03，感应线圈；04，金属液；05，坩埚底；06，推杆；07，驱动机构；08，真空密封；09，炮筒；10，模具室：11，坩埚底分瓣的缝隙。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施方式，提出一种冷坩埚感应熔炼-压铸装置，如图1所示，包括：真空熔炼室01，所述真空熔炼室01中固定设置有分瓣式的水冷铜坩埚02，所述水冷铜坩埚02呈圆筒状(水冷铜坩埚沿着轴线有相同的内径)，两端开口，所述水冷铜坩埚02的分瓣结构内设置有螺旋状冷却水路，螺旋状冷却水路包括外侧的大螺旋状冷却水路和内侧的小螺旋状冷却水路，大小螺旋状冷却水路在分瓣结构的边缘连通，冷却水从外侧的大螺旋状冷却水路流入，从中间的小螺旋状冷却水路流出，不同分瓣结构中的螺旋状冷却水路在水冷铜坩埚不分瓣结构处依次连通。这种双螺旋状的冷却水路使得温度较低的冷却水首先与坩埚温度高的部分接触，增加换热面积，增加换热效果，缩短制冷时间，使得温度控制更加的灵敏；水冷铜坩埚02的内径为60mm，高度为150mm；水冷铜坩埚02的上段不分瓣，上段不分瓣的高度为20mm；所述水冷铜坩埚02的外壁环绕设有向坩埚输送电磁场的感应线圈03，水冷铜坩埚02的上口到感应线圈03的高度为30mm。
所述感应线圈03为水冷紫铜感应线圈，感应线圈03通过真空密封08与真空熔炼室01外面的感应电源(80kW超音频电源)相结合。所述感应线圈03内部设置有冷却水路，进一步增加冷却效果，缩短铸模时间。
所述水冷铜坩埚02的底部设有坩埚底05，坩埚底05的外径与水冷铜坩埚02的内径匹配；坩埚底05具有与水冷铜坩埚02相同或者相似的分瓣结构(如图2所示，坩埚底分瓣的缝隙11)，坩埚底05的分瓣结构保证电磁场能从坩埚的下方进入坩埚，使坩埚底部的金属充分熔化。坩埚底05的每一分瓣结构中设有S形冷却水路，不同分瓣结构中的冷却水路依次连通，分瓣结构中的S形冷却水路与坩埚底05上表面的凹形曲面或圆锥面贴合，整体为凹形曲面或圆锥面结构，从而进一步增加换热面积，缩短冷却时间。坩埚底05的上表面呈倒球台形(如图3所示)。
所述坩埚底05下面设有推杆06，推杆06通过真空密封08穿过真空熔炼室01的底部，接入驱动机构07(液压工作站的油缸)；推杆06中设置有冷却水路，与坩埚底05内设置的冷却水路接通。推杆的长度足够将坩埚底的材料推送至模具室。
所述水冷铜坩埚02上面设有炮筒09(材质为304不锈钢)，内径为60mm，高度30mm，厚度10mm；炮筒09上面设有模具室10，模具室10的下口内径也是60mm，上面的内径是120mm，内部空间的高度是6mm；所述炮筒09与水冷铜坩埚02密切结合，与坩埚有相同轴线和相同内径；所述模具室10与炮筒09密切结合；所述模具室10、感应线圈03均设有冷却水路。
所述真空熔炼室01连接有可为真空熔炼室01提供产生真空气氛的真空装置；所述真空熔炼室01连接有可为真空熔炼室01提供产生氩气气氛的氩气充入装置。
利用上述冷坩埚感应熔炼-压铸装置制备块体非晶材料：在开始熔炼之前，将水冷铜坩埚02、坩埚底05、模具室10、感应线圈03中的冷却水路与真空熔炼室01外面的冷却系统接通，向水冷铜坩埚02、坩埚底05、模具室10、感应线圈03通入冷却水。
向水冷铜坩埚02内装入0.5kg的Zr-Cu合金，真空熔炼室01的真空度抽到5×10-2Pa，然后启动超音频电源，启动液压工作站，合金熔化后保温2分钟(如图4所示，金属液04在水冷铜坩埚02中)，然后，在保持加热电流的状态下，用推杆06以100mm/sec的速度向上推动坩埚底05，把金属液04迅速推入模具室10(如图5所示)，关闭感应电源，同时启动冷却系统，在油缸压力达到100MPa的条件下保持压力1分钟，使模具室内的液态金属凝固。此后关闭电源和液压工作站。
打开真空熔炼室01，从炮筒09上取下模具室10，从模具室10中取出凝固的合金片。X-射线衍射分析证明，压铸得到的合金片具有非晶态的结构，且质地均匀，无内部微裂缝。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
